함정수
(Jung-Soo Ham)
1iD
권재화
(Jae-Hwa Kwon)
1iD
민명환
(Myung-Hwan Min)
†iD
안태풍
(Tae-Pung An)
1iD
이태훈
(Tae-Hoon Lee)
2iD
-
( Power Electric & Electronic System R&D Institute, ENTEC Electric & Electronic Co.,
LTD., Korea)
-
(Institute of Technology in Research Center, Korea Railroad Corporation(Korail), Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Railway power conditioner, RPC, Reactive power control, Regenerative power control
1. 서 론
교류전기철도 급전시스템은 3상 154kV를 수전해 스코트 변압기(Scott.Tr)로 90˚ 위상차가 나는 두 개의 단상 55kV, M(Main Phase)상과
T(Teaser phase)상으로 변환하여 철도 차량에 전력을 공급한다[1,2]. 철도 차량은 유도성 부하의 특성과 고조파 공진 방지 및 SP(Sectioning Post)에 전압강하 보상을 위해 설치된 수동필터(커패시터 뱅크)로
인해 무효전력이 발생하고 제동 시 회생전력이 발생한다. 무효전력 발생 시 계통에서 무효전력을 공급한다면 역률 저하로 위약금이 발생하는 문제가 있다.
따라서 전력변환장치로 무효전력을 제어하여 계통이 공급할 무효전력을 대신 공급한다면 문제를 해결할 수 있다. 또한 회생전력을 제어하여 다른 한 상의
부하전력으로 활용한다면, 계통으로부터 수전하는 유효전력을 감소시킴으로써 전기 요금을 감소시킬 수 있다.
최근에는 무효전력으로 인하여 위약금 발생 문제를 해결하기 위해 인버터를 이용한 능동 전력필터를 통해 무효전력을 보상하는 연구가 이루어졌다[3]. 또한 회생전력 활용방안으로 회생전력을 회수하거나 저장하는 등의 연구 및 분석이 이루어지고 있다[4].
본 논문은 단일 전력변환기기로 무효전력 발생 시 무효전력을 보상할 수 있고, 회생전력을 활용할 수 있는 RPC의 구조 및 전력 제어 원리를 설명하고,
현장 시험 데이터를 통해 유효성을 검증한다.
2. RPC
2.1 RPC 구조
그림 1은 본 논문에 적용한 RPC 구성을 나타낸다. RPC는 다권선 변압기(Multi-winding.Tr)와 Back to Back으로 이루어진 두 대의
컨버터가 4병렬로 구성되어 있다. 다권선 변압기는 공간 및 비용을 줄이기 위해 리액터 필터를 제외하고 대신 리액터 기능을 포함하도록 리액턴스가 큰
변압기를 설계했다. M상 컨버터들은 DC Link 캐피시터를 지령값을 유지하는 전압 제어를 하고 T상 컨버터들은 전력(전류)을 제어한다[2]. 컨버터에 적용된 토폴로지는 3레벨 컨버터로 2레벨 컨버터에 전압 레벨이 증가함에 따라 정현파에 가까운 출력 전압 파형을 얻어 고조파 특성이 개선되는
특징이 있다[2].
그림 1. RPC 구조
Fig. 1. RPC configuration
표 1 RPC 사양
Table 1 RPC specification
|
항 목
|
사 양
|
|
정격 용량
|
5 [MVA]
|
|
Multi-winding.Tr Pri
|
55 [kV]
|
|
Multi-winding.Tr 2nd
|
2460 [V]
|
|
스위칭 주파수
|
1080 [Hz]
|
|
DC Link 전압
|
4000 [V]
|
2.2 무효전력 제어
그림 2는 T상 RPC 무효전력 제어 시 전후 비교 그림이다. 무효전력 제어 전에는 T상 계통에서 부하로 무효전력을 공급한다. 하지만 무효전력 제어 후에는
RPC에서 T상 계통 대신 무효전력을 공급함으로써 T상 계통에서 공급하는 무효전력을 감소시켜 계통 전력 역률 저하를 방지해 위약금 저감에 기여한다.
그림 2. T상 무효전력 제어 전(a) 제어 후(b)
Fig. 2. Before T phase reactive power control(a) after control(b)
2.2.1 무효전력 제어 알고리즘
그림 3은 T상 무효전력 제어 알고리즘 블록도이다[2]. 계측한 단상 전류(Iac_sensing)에 APF(ALL Pass Filter)를 사용하여 90˚ 지연된 가상의 q축을 만들어 정지좌표계(αβ)를
만든다. 생성한 정지좌표계는 d-q축 동기좌표로 변환한다. 유효전력은 q축 성분이며, d축은 무효전력 성분이다. 따라서 RPC를 통해 부하전류의 d축
성분을 보상해 계통전류의 d축 성분을 0이 되도록 제어한다면 무효전력을 보상할 수 있다. d-q축 동기좌표로 변환 값은(Iqe, Ide) 전류 지령치(Iqe_ref,
Ide_ref)와 비교하여 PI Controller를 통해 보상된 값이 출력된다. 보상된 값은 DQ 역변환을 통해 레퍼런스(PWMout)를 출력하여
계통의 무효분 만큼 계통 대신 RPC가 부하에 무효전력을 공급한다. 제어주기마다 계통 전류를 계측하여 제어 알고리즘에 입력하여 제어한다.
그림 3. 무효전력 제어 알고리즘 블록도
Fig. 3. Block diagram of reactive power control algorithm
식 (1)은 동기좌표계에서 단상 무효전력을 구하는 수식이며 여기서 Qgrid는 T상 무효전력, Vqe, Ide, Vde, Iqe는 T상 계통의 전압, 전류를
동기좌표계 d-q 성분으로 표현한 것이다[1]. Vde는 0에 가까운 값으로 생략 가능하며, 이를 통해 식 (2) 계통 전류의 d축 성분을 0이 되도록 보상할 d축 전류 지령치(Ide_ref)를 생성한다. 이때 q축 전류 지령치(Iqe_ref)는 0이다.
2.2.2 무효전력 제어 현장 시험 데이터
그림 4은 2024년 2월 23일 06시부터 21시까지 강원도 영월 석항 변전소에서 T상 무효전력 제어 시험 Dewetron 파형이다. Dewetron은
최대 2MHz 샘플링 주기로 전력 파형을 녹화 및 분석하는 계측 장비다. 첫 번째 파형은 다권선 변압기 1차 측에서 계측한 RPC 출력 전압 파형(55kV)이고
두 번째 파형은 변전소 측(계통) 전류 파형, 세 번째 파형은 다권선 변압기 1차 측에서 계측한 RPC 출력 전류 파형, 마지막으로 RPC 출력 무효전력
및 계통(변전소) 출력 무효전력 파형이다. 무부하 시 커패시터 뱅크로 인해 발생하는 무효전력이 약 1.5MVar이고, 09시 10분 39초 기준으로
T상 RPC가 1.4MVar(그림 4우측 디지털 값) 만큼 무효전력을 계통 대신 보상함으로써 T상 계통 변전소 전력은 177.5kVar로 감소하여 유효성을 검증하였다.
그림 4. T상 무효전력 제어 시험 Dewetron 파형(1day)
Fig. 4. T phase rective power control test Dewetron waveform (1day)
2.3 회생전력 제어
회생전력은 철도 부하 제동 시 발생하는 전력으로써 일반적으로 철도 회생 시스템에서 역률은 송배전용 전기설비이용규정 제 51조 역률의 유지에 따라 0.9
이상으로 설계되며, 부하에서 계통으로 공급되는 전력이다[5]. 회생전력 제어에서 제어하고 활용하는 것은 유효전력에만 적용된다. 한 상의 부하에서 회생전력 발생 시 90˚ 위상차가 나는 다른 한 상의 부하전력으로
제어할 경우 계통으로부터 수전하는 전력이 감소함으로써 전기 비용 절감에 기여할 수 있다. 그림 5는 T상에서 회생전력 발생 및 M상에서 부하전력 발생 시 회생전력 제어 전후 비교 그림이다. 회생전력 제어 전에는 차량 부하 제동으로 발생한 T상
회생전력은 계통으로 공급하고 M상에서 발생한 부하전력은 계통으로부터 전력을 수전한다. 하지만 회생전력 활용 후에는 RPC에서 발생한 회생전력만큼 계통
대신 유효전력을 M상 부하에 공급함으로써 전기 요금 절감에 기여한다.
그림 5. T상 회생전력 제어 전(a) 제어 후(b)
Fig. 5. Before T phase regenerative power control(a) after control(b)
그림 6에서 발생한 회생전력이 다른 한 상의 부하전력보다 작은 회생전력 부족 발생 시 부족분만큼 계통에서 붉은색 점선 전력을 공급한다. 반대로 회생전력이
다른 한 상의 부하전력보다 큰 회생전력 과발생 시 부하전력 크기만큼만 회생전력을 부하전력으로 활용하고 나머지 회생전력 푸른색 점선 전력은 계통으로
흡수된다. 점선 전력은 서술한 경우 외 발생하지 않는다.
그림 6. 조건에 따른 회생전력 제어
Fig. 6. Regenerative power control according to conditions
M상 및 T상에서 크기가 다른 회생전력 및 부하전력이 발생하거나 한 상에서만 회생전력 및 부하전력이 발생하는 경우 스코트 변압기 1차 측 3상 전력계통에서
전압불평형이 발생한다. 전압불평형은 3상 전력계통의 ABC 회전 방향의 반대 회전 자계를 발생시켜, 역상전류를 발생시키고, 해당 전압을 공급받는 전동기,
변압기 등 주요 전력기기들의 온도와 손실을 높임으로 기기의 효율 및 수명이 단축된다[6]. 이를 방지하고자 각 전력을 적절히 제어하여 3상 전력계통의 불평형을 개선할 수 있으며 제어 원리를 그림 7 및 그림 8에서 전력의 흐름을 나타내는 화살표와 전력의 크기를 나타내는 굵기로 표현했다. 그림 7에서 T상 회생전력이 M상 회생전력보다 크게 발생하는 경우 제어 전(a)에는 스코트 변압기 2차측에서 굵기가 다른 전력을 흡수하기 때문에 3상 전력
전압불평형이 발생한다. 반대로 제어 후(b)에는 T상 회생전력과 M상 회생전력 차이의 절반만큼 RPC를 통해 전력 변환하여 M상 계통으로 공급함으로써
스코트 변압기 2차 측이 같은 크기(굵기)의 전력을 흡수하기 때문에 3상 전력 전압불평형을 감쇄할 수 있다. 같은 논리로 M상 및 T상에서 크기가
다른 부하전력이 발생하거나 한 상에서만 부하전력이 발생하는 경우 M상 및 T상 부하전력의 차이의 절반만큼 RPC를 통해 계통으로부터 유효전력을 수전하여
보상한다면 3상 전력 전압불평형을 개선할 수 있다. 그림 8은 M상 부하전력이 T상 부하전력보다 크게 발생하여 T상 부하전력과 M상 부하전력의 차이의 절반만큼 RPC를 통해 T상 계통으로부터 유효전력을 끌어와
M상 부하전력으로 활용하여 3상 전력 전압불평형을 개선하는 제어 전(a) 및 후(b)를 나타낸다. 본 논문은 3상 전력 전압불평형 해소보다는 한 상에서
회생제동 발생 시 다른 한 상의 부하전력으로 활용함으로써 전기 요금 절감에 초점을 맞췄다.
그림 7. 회생전력 불평형 시 제어 전(a), 후(b) 사진
Fig. 7. When regerative power is unbalanced before control(a), after control(b)
그림 8. 부하전력 불평형 시 제어 전(a), 후(b) 사진
Fig. 8. When load power is unbalanced before control(a), after control(b)
2.3.1 회생전력 제어 알고리즘
식 (3)은 동기좌표계에서 단상 유효전력을 구하는 수식이며 여기서 P는 계통의 유효전력. Vqe, Ide, Vde, Iqe는 T상 계통의 전압, 전류를 동기좌표계
d-q 성분으로 표현한 것이다. 이를 통해 앞서 설명한 조건에 맞는 q축 유효 성분을 보상할 식 (4)의 q축 전류 지령치(Iqe_ref)를 구하며 Pload는 표 2의 조건에 따라 달라진다. 이 때 d축 전류 지령치(Ide_ref)는 0이다.
그림 9. 회생전력 제어 알고리즘 블록도
Fig. 9. Block diagram of regenerative power control algorithm
표 2 식 (4)의 Pload 조건
Table 2 Pload conditions in equation (4)
|
조 건
|
Pload
|
|
M상 회생전력 > T상 부하전력
|
T상 부하전력
|
|
M상 회생전력 < T상 부하전력
|
M상 회생전력
|
|
M상 부하전력 > T상 회생전력
|
T상 회생전력
|
|
M상 부하전력 < T상 회생전력
|
M상 부하전력
|
|
M상 회생전력 > T상 회생전력
|
(M상 회생전력-T상 회생전력)×1/2
|
|
M상 회생전력 < T상 회생전력
|
(M상 회생전력-T상 회생전력)×1/2
|
|
M상 부하전력 > T상 부하전력
|
(M상 부하전력-T상 부하전력)×1/2
|
|
M상 부하전력 < T상 부하전력
|
(M상 부하전력-T상 부하전력)×1/2
|
표 2에서 M상 회생전력 발생 시 M상 회생전력이 T상 부하전력보다 크다면 Pload는 T상 부하전력이며, 회생전력이 부하전력보다 작다면 Pload는 회생전력이다.
반대로 T상 회생전력 발생 시 M상 부하전력이 T상 회생전력보다 크다면 Pload는 회생전력이며, 부하전력이 회생전력보다 작다면 Pload는 부하전력이다.
회생전력 불평형 발생 시 Pload는 M, T 상 회생전력 차이의 절반이다. Pload의 부호가 양수면 T상 RPC에서 유효전력이 출력되고, 음수면
입력된다. 부하전력 불평형 발생 시 Pload는 M,T 상 부하전력 차이의 절반이다.
2.3.2 회생전력 제어 현장 시험 데이터
그림 10은 2024년 4월 17일 강원도 영월 석항 변전소에서 T상 회생전력 발생 및 M상 부하전력 발생 시 회생전력 제어 시험 Dewetron 파형이고,
표 3은 그림 10의 데이터를 정리한 표이다. 그림 10 첫 번째 파형은 부하전력, 두 번째 파형은 변전소(계통) 전력, 마지막 파형은 RPC 전력 파형이다. 첫 번째 구간(regeneration∼1)
및 세 번째 구간(2∼3)에서 T상 회생전력 발생으로 제어한 회생전력 크기만큼 RPC를 통해 M상 부하로 회생전력을 제어하여 M상 계통전력 감소를
확인하여 유효성을 검증했다. 두 번째 구간에서 T상 회생전력 증가로 전류 지령치 한계값(Iqe_ref<100) 0.6MW만큼 M상 부하로 전력을 활용한다.
마지막 구간에서 T상 회생전력 소멸로 시험 종료됐다.
그림 10. 회생전력 제어 시험 Dewetron 파형
Fig. 10. Regenerative power control test Dewetron waveform
표 3 회생전력 제어 현장 시험 데이터
Table 3 Regenerative power control field test data
|
구 간
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
M상 부하전력
|
2.5[MW]
|
1.5[MW]
|
1.7[MW]
|
1.7[MW]
|
|
T상 부하(회생)전력
|
-0.5[MW]
|
-0.7[MW]
|
-0.2[MW]
|
0[MW]
|
|
M상 계통 전력
|
2[MW]
|
0.9[MW]
|
1.5[MW]
|
1.7[MW]
|
|
T상 계통 전력
|
0[W]
|
0[MW]
|
0[MW]
|
0[MW]
|
|
RPC 출력 전력(M상)
|
0.5[MW]
|
0.6[MW]
|
0.2[MW]
|
0[MW]
|
그림 11은 제어한 회생전력량을 계산하기 위한 그림 10 3번째 파형의 Dewetron 전력량 계산 화면이다. 발생한 회생전력을 입력받아 M상 부하전력으로 전송한 전력량은 제어 구간 동안 M상 RPC 전력을
적분한 -11MWsec로 183kWh 만큼 RPC가계통 전력과 분담하는 것을 확인함으로써 유효성을 검증했다.
그림 11. Dewetron 회생전력 제어 전력량 계산 화면
Fig. 11. Dewetron regenerative power control electrical energy calculation screen
3. 결 론
본 논문은 RPC의 구성과 무효전력 및 회생전력 제어 원리를 설명하고, 무효전력 제어 현장 시험 데이터를 통해 계통이 부담할 무효전력을 RPC가 1.4MVar
만큼 보상함으로써 계통이 부하에 공급하는 무효전력이 177.5kVar로 감소하는 것을 확인했다. 또한 회생전력 발생 시 다른 한 상의 부하전력으로
제어함으로써 계통이 부하에 공급하는 유효전력이 183kWh 만큼 덜 부담하는 것을 확인해 RPC 단일 전력변환기기로 무효전력 및 회생전력 제어 성능을
검증했다. 이에 본 연구가 교류철도에서 전력 제어에 대한 활용 자료로 사용되기를 기대한다.
Acknowledgements
This study was conducted with the support of the 2023 Ministry of Land, Infrastructure
and Transport's Railway Technology Research Project (Task Number: RS-2018-KA148881),
and we are grateful to the relevant ministries.
References
Jehun Woo, “Control and Experiment of Railway Power Compensator System,” Proceedings
of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 23, no 4, pp. 334-335, 2019.
Jung-Soo Ham at. al., “A study on the DC Link Voltage Unbalance Improvement method
of Single phase 3-Level NPC Back to back Converter,” The Transactions of the Korean
Institute of Electrical Engineers, vol. 73, no. 3, pp. 607-613, 2024.
T. Komrska, “Reactive power and harmonic currents compensation in traction systems
using active power filter with DFT-based current reference generator,” IEEE Conference
Paper, pp. 1-10, 2009.
Hitoshi Hayashiya1, “Recent Trend of Regenerative Energy Utilization in Traction Power
Supply System in Japan,” Urban Rail Transit, vol. 3, no. 2, pp. 62-73, 2017.
Myung-Hwan Min, “An Experimental Study on Regenerative Power for AC Railway System,”
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 68, no. 12,
pp. 1641~1645, 2019.
Myung-Hwan Min, “Analysis of Voltage Unbalance Based on Domestic and IEC Standard
in AC Electrical Railway System,” The Transactions of the Korean Institute of Electrical
Engineers, vol. 68, no. 12, pp. 1646~1651, 2019.
저자소개
He received BS degree in electric engineering from Kwangwoon University. He is currently
a assistant research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd. His research
interests are back to back converter system and power quality for power electric system.
He received BS degree in electric engineering from Chungnam National University. He
is currently a research worker with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd.
He received MS degree in electric engineering from Sungkyunkwan University. He is
currently a senior research engineer with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd. His
research interests are power quality and protection for power system and grid forming
inverter.
He received BS degree in electric engineering from Sungkyunkwan University. He is
currently the head of a research institute with ENTEC Electric & Electronic Co., Ltd.
His research interests are protection, control, communication monitoring system for
power electric system.
He received the B.S. degree from Electrical Engineering at Seoul National University
of Science & Technology in 1997 and the M.S. degree from Electrical Engineering at
Kwangwoon University in 1999. He is currently a doctoral course at Chungnam National
University and working senior manager at Korail.